Журнал "Радио" №4, 1974 НЕОБЫКНОВЕННОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ОБЫКНОВЕННЫХ ЧАСОВ

Сегодня можно с уверенностью сказать, что мировая часовая промышленность стоит на пороге радикальных перемен. Механические часы, которые были изобретены более десяти веков назад, претерпели многочисленные преобразования, связанные в основном с уменьшением их размеров и повышением точности хода. В настоящее время почти все возможности дальнейшего их усовершенствования в этом направлении исчерпаны.

Электроника дала в руки часовых дел мастеров арсенал новых средств, которые позволили совершенно по-новому подойти к проблеме точного времени. Революционным преобразованием в часовой технике явилось использование кварцевого генератора в качестве источника колебаний. Специалисты в шутку говорят, что, если бы кварц не был так широко распространен в природе, он бы ценился на «вес бриллианта» — столь дорога для радиоэлектроники способность кварца генерировать колебания высокой стабильности.

В электронных кварцевых часах точность хода резко возросла. Правда, до поры до времени они оставались весьма громоздкими. Поэтому миниатюрные наручные часы продолжали оставаться полностью механическими.

Прогресс в области микроэлектроники резко изменил картину. В течение нескольких лет уже успело смениться три поколения электронных ручных часов. Представителем первого являлись «камертонные часы», источником колебаний в которых был камертон. Электронными в них были несколько пассивных компонентов и один транзистор, служащий в качестве переключателя.

К следующему поколению относят кварцевые часы со стрелочным циферблатом. Их создание стало возможным благодаря появлению средних и больших интегральных схем. В кварцевых часах рядом с электроникой (кварцевый генератор, интегральные схемы) продолжала соседствовать точная механика в виде микродвигателя и циферблата со стрелками.

Окончательному вытеснению из часов механических частей способствовало открытие нового класса оптических материалов, а также последние достижения оптоэлектроники. В результате обычный циферблат был заменен  индикатором, выполненным либо на жидких кристаллах, либо на светоизлучающих полупроводниковых диодах. Так появилось третье поколение электронных наручных часов.

Интересно, что в самом словосочетании «жидкий кристалл» кроется, на первый взгляд, определенный парадокс. Казалось бы, два несовместимых понятия. Но на самом деле этот удивительный оптический материал действительно является органической жидкостью, хотя и обладает молекулярной структурой кристалла. Если к прозрачным электродам, между которыми находится жидкое кристаллическое вещество, приложить даже очень небольшое напряжение, его молекулы изменят свою ориентацию так, что начнут рассеивать падающий на них свет. Кристалл становится непрозрачным и видимым.

На этом свойстве жидких кристаллов и основан принцип действия индикатора электронных часов. В нем капля такого кристалла, заключенная между прозрачными стеклянными пластинами, с помощью напыленных на ее внутренние стороны прозрачных электродов разбивается на сегменты, различные комбинации которых составляют ту или иную цифру. В результате подачи электрических импульсов на соответствующие электроды на индикаторе высвечиваются хорошо различимые цифры. Причем, чем ярче освещенность окружающей среды, тем интенсивней светятся цифры на индикаторе. Особо ценным свойством жидкокристаллических индикаторов является чрезвычайно малая потребляемая мощность — около 0.01 мкВт. Одной миниатюрной батарейки достаточно для работы в течение года. Правда, здесь весьма остро стоит проблема старения кристалла, который, видимо, по истечении нескольких лет службы придется заменять.

Индикаторы на светодиодах, в отличие от описанных, действуют как излучатели света. Светодиоды представляют собой как бы микроскопические кристаллические лампочки, испускающие свет на определенной длине волны. В настоящее время имеются светодиоды красного и зеленого свечения. Достоинство их в весьма большом сроке службы, намного большем, чем жидких кристаллов. Недостаток — в слишком большой по сравнению с жидкими кристаллами потребляемой мощности. Поэтому индикацию в подобных конструкциях делают эпизодической, то есть к ней прибегают лишь тогда, когда необходимо узнать время.

Каким индикаторам в будущем будет отдано предпочтение, сказать трудно. Некоторые специалисты в своих прогнозах склоняются в сторону жидкокристаллических, как более дешевых и простых в производстве.

Откроем крышку электронных часов и заглянем в их внутреннее устройство, по существу являющееся крошечной ЭВМ (возможная блок-схема их изображена на рисунке). «Сердцем» электронных часов служит кварцевый генератор, который вырабатывает 2^13, 2^14 или 2^15 импульсов в секунду. Выбор столь высоких частот объясняется требованиями высокой точности хода часов и микроминиатюризации. Кварцевый генератор на более низкие частоты был бы слишком громоздким и неприемлемым для наручных часов. Итак, импульсы, следующие с частотой, скажем, 2^15 Гц, поступают на делитель частоты, который замедляет их до одного в секунду. Делитель частоты выполняется в виде интегральной схемы, содержащей несколько сотен транзисторов. Далее импульсы попадают в «мозговой центр» часов — миниатюрный вычислитель, который представляет собой большую интегральную схему — полупроводниковую пластину площадью в несколько квадратных миллиметров, на которой методами тонкопленочной и полупроводниковой технологии нанесено более 1000 транзисторов. Вычислитель состоит из счетчиков секунд, минут и часов, а также дешифраторов. Дешифраторы являются логическими устройствами, которые преобразуют электрические сигналы и как бы «расшифровывают» их в ту или иную цифру, подавая команды на соответствующие сегменты индикатора.

В электронных часах все необычно. Если вы их приложите к уху, то не услышите привычного «тикания», в них нет движущихся частей, хотя каждую секунду, минуту, каждый час на индикаторе бесшумно сменяются соответствующие цифры. Заводить их нужно один раз в год. Правильнее было бы сказать менять батарейку и включать счетчики минут н часов. Делается это по сигналу точного времени нажатием кнопок. За месяц такие часы отстают или уходят вперед не более чем на пять секунд.

В электронных часах синтезированы новейшие достижения микроэлектроники и полупроводниковой техники. Их можно по праву назвать шедевром современной технической мысли. Такие часы недавно появились на мировом рынке. Оригинальную конструкцию электронных часов разработали также специалисты Министерства электронной промышленности СССР. Сейчас осваивается их производство, а вскоре будет начат и массовый выпуск.

Специально для применения в электронных наручных часах впервые в СССР был разработан и освоен ряд больших комплементарных интегральных схем, в которых в одном кристалле сочетаются комбинации n-канальных и p-канальных МОП-транзисторов (со структурой металл-окисел-проводник) с низким пороговым напряжением. Подобные схемы потребляют очень мало электроэнергии и характеризуются высокой помехоустойчивостью. Их разработка и освоение являются большим достижением, которое, без сомнения, найдет применение не только в часах, но и в других электронных устройствах.

Н. ГРИГОРЬЕВА